半導(dǎo)體器件原理緒論

1、1.1.尼曼（美）著，趙毅強(qiáng)，姚素英，解曉東等譯，尼曼（美）著，趙毅強(qiáng)，姚素英，解曉東等譯，半導(dǎo)體物理與半導(dǎo)體物理與器件器件第四版（第四版（20132013）. .2.2.黃均鼐等著，黃均鼐等著，半導(dǎo)體器件原理半導(dǎo)體器件原理，復(fù)旦大學(xué)出版社（，復(fù)旦大學(xué)出版社（20112011）3.3.安德森（美）等著，安德森（美）等著，半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，清華大學(xué)出版社（20102010）4.4.曾樹(shù)榮，曾樹(shù)榮，半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)，北京大學(xué)出版社（，北京大學(xué)出版社（20022002）. .5.5.濱川圭弘（日）編著，濱川圭弘（日）編著，半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件，科學(xué)出版

2、社（，科學(xué)出版社（20022002）. .6.6.施敏（美）著，武國(guó)鈺，施敏（美）著，武國(guó)鈺， 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理，西安交通大學(xué)出，西安交通大學(xué)出版社，第三版（版社，第三版（20082008）. . 【S. M. S. M. SzeSze, , Physics of Physics of Semiconductor Devices, 2nd, John Semiconductor Devices, 2nd, John Wiley and Sons Inc. Wiley and Sons Inc. (1981).(1981).】7.7.R. M. Warner, B. L. R. M.

3、 Warner, B. L. GrungGrung，半導(dǎo)體器件電子學(xué)半導(dǎo)體器件電子學(xué)（英文原（英文原版），電子工業(yè)出版社（版），電子工業(yè)出版社（20022002）. .課程簡(jiǎn)介課程簡(jiǎn)介本課程是本課程是電子科學(xué)與技術(shù)電子科學(xué)與技術(shù)( (微電子、光電子微電子、光電子) )等專業(yè)的專業(yè)等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是其他相關(guān)專業(yè)的重要選修課之一。基礎(chǔ)課，也是其他相關(guān)專業(yè)的重要選修課之一。本課程結(jié)合一些主要的、常見(jiàn)的半導(dǎo)體器件，介紹半導(dǎo)體本課程結(jié)合一些主要的、常見(jiàn)的半導(dǎo)體器件，介紹半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理、基本性能和基本制造工器件的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理、基本性能和基本制造工藝。主要討論藝。主要討論

4、同質(zhì)同質(zhì)pnpn結(jié)結(jié)、金屬半導(dǎo)體接觸金屬半導(dǎo)體接觸、異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)以及以及BJTBJT、MOSFETMOSFET、MESFETMESFET等幾種核心半導(dǎo)體器件。等幾種核心半導(dǎo)體器件。學(xué)習(xí)和掌握這些半導(dǎo)體器件的基本理論和分析方法，為學(xué)學(xué)習(xí)和掌握這些半導(dǎo)體器件的基本理論和分析方法，為學(xué)習(xí)諸如習(xí)諸如集成電路工藝集成電路工藝、集成電路設(shè)計(jì)集成電路設(shè)計(jì)等后續(xù)課程等后續(xù)課程打下基礎(chǔ)，也為將來(lái)從事微電子學(xué)的研究以及現(xiàn)代打下基礎(chǔ)，也為將來(lái)從事微電子學(xué)的研究以及現(xiàn)代VLSIVLSI與與系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。教學(xué)目的和要求教學(xué)目的和要求掌握掌握半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、物理

5、原理和特性半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、物理原理和特性；熟悉熟悉半導(dǎo)體器件的主要工藝技術(shù)及其對(duì)器件性能的半導(dǎo)體器件的主要工藝技術(shù)及其對(duì)器件性能的影響影響；了解了解現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的發(fā)展過(guò)程和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)典現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的發(fā)展過(guò)程和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)典型的新器件和新的工藝技術(shù)有所了解，為進(jìn)一步學(xué)型的新器件和新的工藝技術(shù)有所了解，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)的專業(yè)課打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。習(xí)相關(guān)的專業(yè)課打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。一、半導(dǎo)體器件的分類一、半導(dǎo)體器件的分類二二. . 本課程的任務(wù)本課程的任務(wù)1. 1. 半導(dǎo)體器件的工作原理半導(dǎo)體器件的工作原理2. 2. 器件特性與器件特性與 （電學(xué)） IV IV3. 3. 半導(dǎo)體器件模型化

6、（半導(dǎo)體器件模型化（modelingmodeling） 等效電路等效電路4. 4. 半導(dǎo)體器件小型化趨勢(shì)半導(dǎo)體器件小型化趨勢(shì)材料參數(shù)（材料參數(shù)（ND, NA, n, p, n, p, ）幾何尺寸（幾何尺寸（Wb, Lg, ）偏置電壓偏置電壓V頻率頻率 t的關(guān)系的關(guān)系三三. . 本課程與其它課程的關(guān)系本課程與其它課程的關(guān)系四四. . 本課程內(nèi)容本課程內(nèi)容第一章：緒論第一章：緒論 半導(dǎo)體器件的物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的物理基礎(chǔ)0晶體結(jié)構(gòu)、能帶、半導(dǎo)體統(tǒng)計(jì)，非平衡載流子輸運(yùn)，器晶體結(jié)構(gòu)、能帶、半導(dǎo)體統(tǒng)計(jì)，非平衡載流子輸運(yùn)，器件工作基本方程件工作基本方程第二章：第二章：pnpn結(jié)二極管結(jié)二極管 第三章：金半

7、接觸和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)第三章：金半接觸和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)第四章：雙極型晶體管第四章：雙極型晶體管第五章：第五章：MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管0基本原理，輸出特性基本原理，輸出特性第六章第六章 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管半導(dǎo)體接觸的物理機(jī)半導(dǎo)體接觸的物理機(jī)制（基本器件構(gòu)件）制（基本器件構(gòu)件）典型典型的半的半導(dǎo)體導(dǎo)體器件器件第七章第七章 光器件光器件太陽(yáng)能電池、光電二極管太陽(yáng)能電池、光電二極管LEDLED等等專用專用半導(dǎo)半導(dǎo)體器體器件件課程性質(zhì)課程性質(zhì)：專業(yè)必修：專業(yè)必修學(xué)分學(xué)分：3課程特點(diǎn)課程特點(diǎn)：微觀物理過(guò)程多：微觀物理過(guò)程多成績(jī)?cè)u(píng)定方法：成績(jī)?cè)u(píng)定方法：期末考試期末考試70平時(shí)成績(jī)平時(shí)成

8、績(jī)30緒論：半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)緒論：半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1 1.1 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料1.2 1.2 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)1.3 1.3 能帶能帶1.4 1.4 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子1.5 1.5 半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體摻雜1.6 1.6 半導(dǎo)體中的載流子及其輸運(yùn)半導(dǎo)體中的載流子及其輸運(yùn)1.7 1.7 半導(dǎo)體中的光電特性半導(dǎo)體中的光電特性1.1 1.1 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料1 1、什么是半導(dǎo)體？、什么是半導(dǎo)體？ 固體材料從導(dǎo)電特性上分成：固體材料從導(dǎo)電特性上分成： 超導(dǎo)體、導(dǎo)體、超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體半導(dǎo)體、絕緣體、絕緣體 從導(dǎo)電特性和機(jī)制來(lái)分：從導(dǎo)電特性和機(jī)制來(lái)分： 不同的禁帶寬度及其溫度特性，

9、不同的禁帶寬度及其溫度特性， 不同的輸運(yùn)機(jī)制不同的輸運(yùn)機(jī)制能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)Semiconductor導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，叫做半導(dǎo)導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，叫做半導(dǎo)體。電阻率在體。電阻率在1010-3-3-10-1010 10 cm. .半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體電導(dǎo)率的典型范圍絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體電導(dǎo)率的典型范圍181016101410121010108106104102101210410610810181016101410121010108106104102101210410610810電阻率 /(cm)S-1電導(dǎo)率 /(cm )Ge鍺()硅(

10、Si)GaAs砷化鎵()GaP磷化鎵()CdS硫化鎘()銅銀鋁鉑硫化鉍玻璃金剛石(純)硫熔融石英181016101410121010108106104102101210410610810181016101410121010108106104102101210410610810電阻率 /(cm)S-1電導(dǎo)率 /(cm )Ge鍺()硅(Si)GaAs砷化鎵()GaP磷化鎵()CdS硫化鎘()銅銀鋁鉑硫化鉍玻璃金剛石(純)硫熔融石英半導(dǎo)體的基本特性半導(dǎo)體的基本特性p元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體p晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶及多晶半導(dǎo)體晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶及多晶半導(dǎo)體p無(wú)機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體無(wú)機(jī)半

11、導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體p本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的種類半導(dǎo)體的種類溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)-負(fù)溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)摻雜效應(yīng)摻雜效應(yīng)-雜質(zhì)敏感性雜質(zhì)敏感性光電效應(yīng)光電效應(yīng)-光電導(dǎo)光電導(dǎo)電場(chǎng)、磁場(chǎng)效應(yīng)電場(chǎng)、磁場(chǎng)效應(yīng)周期表中與半導(dǎo)體有關(guān)的部分周期表中與半導(dǎo)體有關(guān)的部分硅、鍺硅、鍺都是由單一原子所都是由單一原子所組成的元素半導(dǎo)體，均為組成的元素半導(dǎo)體，均為周期表第周期表第IVIV族元素。族元素。2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代初年代初期期，鍺曾是最主要的，鍺曾是最主要的半導(dǎo)體材料；半導(dǎo)體材料；6060年代初期以后年代初期以后，硅已取代硅已取代鍺鍺成為半導(dǎo)成為半導(dǎo)體制造的主要材料。體制造的主要材

12、料。周期IIIIIIVVVI2 BC N 硼炭氮3Mg AlSiPS鎂鋁硅磷硫4ZnGaGeAsSe鋅鎵鍺砷硒5CdInSnSbTe鉻銦錫銻碲6HgPb汞鉛周期IIIIIIVVVI2 BC N 硼炭氮3Mg AlSiPS鎂鋁硅磷硫4ZnGaGeAsSe鋅鎵鍺砷硒5CdInSnSbTe鉻銦錫銻碲6HgPb汞鉛硅的優(yōu)勢(shì)：硅的優(yōu)勢(shì)：硅器件在室溫下有較佳的特性；高品質(zhì)的硅氧化硅器件在室溫下有較佳的特性；高品質(zhì)的硅氧化層可由熱生長(zhǎng)的方式產(chǎn)生，成本低；硅含量占地表的層可由熱生長(zhǎng)的方式產(chǎn)生，成本低；硅含量占地表的25%25%，僅，僅次于氧，儲(chǔ)量豐富。次于氧，儲(chǔ)量豐富。元素元素(elements)(eleme

13、nts)半導(dǎo)體半導(dǎo)體元素與化合物半導(dǎo)體元素與化合物半導(dǎo)體用于高速器用于高速器件、高速集件、高速集成電路。成電路。主要用于主要用于異質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)、超晶格和超晶格和遠(yuǎn)紅外探遠(yuǎn)紅外探測(cè)器。測(cè)器。半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的制備制備從熔體中制備從熔體中制備Growth from melt：晶體晶體外延生長(zhǎng)外延生長(zhǎng)Epitaxial growth:晶體晶體區(qū)域熔煉法）：區(qū)域熔煉法）：利用籽晶生長(zhǎng)利用籽晶生長(zhǎng)提拉法）提拉法）refining( Zone:( iCzochralsh Epitaxy phase-LiquiMBEEpitaxy phaseVapor CVD、PVD方法：方法： (非晶薄膜非晶薄膜）

14、提拉法：提拉法：構(gòu)成晶體的原料放在坩堝構(gòu)成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提拉熔體，在受控條件下，使拉熔體，在受控條件下，使籽晶籽晶和和熔體的交界面上不斷進(jìn)行原子或分熔體的交界面上不斷進(jìn)行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長(zhǎng)出單晶體。生長(zhǎng)出單晶體。半導(dǎo)體材料的形態(tài)：按照構(gòu)成固體的半導(dǎo)體材料的形態(tài)：按照構(gòu)成固體的粒子在空間的排列粒子在空間的排列情況情況晶體晶體：原子有規(guī)律排列，具有確定的晶體結(jié)構(gòu)，各向異性。：原子有規(guī)律排列，具有確定的晶體結(jié)構(gòu)，各向異性。非晶非晶：原子排列長(zhǎng)程無(wú)序，有一些非晶材料常態(tài)下是絕緣體或：原子

15、排列長(zhǎng)程無(wú)序，有一些非晶材料常態(tài)下是絕緣體或高阻體，但在達(dá)到一定值的外界條件高阻體，但在達(dá)到一定值的外界條件(如電場(chǎng)、光、溫度等如電場(chǎng)、光、溫度等)時(shí)，時(shí)，呈現(xiàn)出半導(dǎo)體電性能，稱之為非晶態(tài)半導(dǎo)體材料。開(kāi)關(guān)元件、呈現(xiàn)出半導(dǎo)體電性能，稱之為非晶態(tài)半導(dǎo)體材料。開(kāi)關(guān)元件、記憶元件、固體顯示、熱敏電阻、太陽(yáng)能電池等。記憶元件、固體顯示、熱敏電阻、太陽(yáng)能電池等。多晶多晶：由大的晶粒和晶界組成，也可能包括部分非晶：由大的晶粒和晶界組成，也可能包括部分非晶,保留了單保留了單晶的基本性質(zhì)（遷移率比較大），總體性質(zhì)上表現(xiàn)出各向同性。晶的基本性質(zhì)（遷移率比較大），總體性質(zhì)上表現(xiàn)出各向同性。價(jià)格比較便宜，應(yīng)用較多。價(jià)

16、格比較便宜，應(yīng)用較多。 1.2 1.2 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)單晶有周期性非晶無(wú)周期性多晶每個(gè)小區(qū)域有周期性晶體中原子的周期性排列稱為晶格，整個(gè)晶格可以用晶體中原子的周期性排列稱為晶格，整個(gè)晶格可以用單胞單胞來(lái)描述，重復(fù)單胞能夠形成整個(gè)晶格。來(lái)描述，重復(fù)單胞能夠形成整個(gè)晶格。三種三種立方晶體單胞立方晶體單胞金屬原子分布在立方體金屬原子分布在立方體的八個(gè)角和六個(gè)面的中的八個(gè)角和六個(gè)面的中心。心。每個(gè)原子有12個(gè)最鄰近原子。八個(gè)原子處于立方體的八個(gè)原子處于立方體的角上，一個(gè)原子處于立角上，一個(gè)原子處于立方體的中心。方體的中心。每一個(gè)原子有八個(gè)最鄰近原子。金屬原子分布在立方體金屬原子分布在立方體的八個(gè)

17、角上，的八個(gè)角上，且每個(gè)原且每個(gè)原子都有六個(gè)等距的鄰近子都有六個(gè)等距的鄰近原子。原子。晶體結(jié)構(gòu)與原子結(jié)合的形式有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)與原子結(jié)合的形式有關(guān)l晶體結(jié)合的基本形式：共價(jià)結(jié)合、離子結(jié)合、金屬晶體結(jié)合的基本形式：共價(jià)結(jié)合、離子結(jié)合、金屬結(jié)合、范德瓦耳斯結(jié)合結(jié)合、范德瓦耳斯結(jié)合l半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)：主要有半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)：主要有l(wèi)金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)（ GeGe、SiSi）l閃鋅礦結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)（GaAsGaAs等等III-VIII-V族和族和CdTeCdTe等等II-VIII-VI族化族化合物）合物）l纖鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)（部分（部分III-VIII-V族和族和II-VIII-VI族化合物族化合物)

18、 )晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)，屬立方晶系，屬立方晶系，由由兩個(gè)面心立方子晶格兩個(gè)面心立方子晶格相互相互嵌套而成。嵌套而成。硅，鍺硅，鍺，每個(gè)原子有四個(gè)最，每個(gè)原子有四個(gè)最近鄰。近鄰。閃鋅礦結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)，大部分的大部分的III-V族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體( (如如GaAs) )具具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)中中, 頂點(diǎn)的原子用其他的原頂點(diǎn)的原子用其他的原子替代。子替代。兩種元素，兩種元素，GaAs, GaP等等晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)（六方硫化鋅型結(jié)構(gòu)）（六方硫化鋅型結(jié)構(gòu)），六角密堆積，屬六方晶系，六角密堆積，屬六方晶系，ABA

19、B型共型共價(jià)鍵晶體，其中價(jià)鍵晶體，其中A A原子作六方密堆原子作六方密堆積，積，B B原子填充在原子填充在A A原子構(gòu)成的四面原子構(gòu)成的四面體空隙中。體空隙中。 CdS, ZnSCdS, ZnS巖鹽結(jié)構(gòu)（巖鹽結(jié)構(gòu)（NaCl結(jié)構(gòu)），結(jié)構(gòu)），屬屬等軸晶系。等軸晶系。AB型化合物結(jié)構(gòu)型化合物結(jié)構(gòu)類型之一，其中陰離子類型之一，其中陰離子B排排列成立方密堆積，陽(yáng)離子列成立方密堆積，陽(yáng)離子A填充在陰離子構(gòu)成的八面體填充在陰離子構(gòu)成的八面體空隙中?？障吨小＿x擇單胞的規(guī)則：選擇單胞的規(guī)則：1 1）對(duì)稱性與整個(gè)晶體的對(duì)稱性一致；）對(duì)稱性與整個(gè)晶體的對(duì)稱性一致；2 2）直角最多；直角最多；3 3）滿足前兩點(diǎn)的基礎(chǔ)

20、上體積最?。M足前兩點(diǎn)的基礎(chǔ)上體積最小晶體學(xué)單胞或晶體學(xué)單胞或慣用單胞慣用單胞一些半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)一些半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)閃鋅閃鋅礦結(jié)礦結(jié)構(gòu)構(gòu)纖鋅礦纖鋅礦結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)一些半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)一些半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列：在一個(gè)晶格結(jié)構(gòu)中通過(guò)任意兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的連線。晶列：在一個(gè)晶格結(jié)構(gòu)中通過(guò)任意兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的連線。晶列族：平行于某一晶列的所有晶列的組合。晶列族：平行于某一晶列的所有晶列的組合。晶面晶面：在一個(gè)晶：在一個(gè)晶格結(jié)構(gòu)中通過(guò)任格結(jié)構(gòu)中通過(guò)任意不在同一晶軸意不在同一晶軸上的三個(gè)結(jié)點(diǎn)構(gòu)上的三個(gè)結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的平面成的平面晶面族晶面

21、族：平行于：平行于某一晶面的所有某一晶面的所有晶面的組合晶面的組合晶體的晶面用晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）表示：該晶面與坐晶體的晶面用晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）表示：該晶面與坐標(biāo)軸截距的倒數(shù)可以化為互質(zhì)整數(shù)。標(biāo)軸截距的倒數(shù)可以化為互質(zhì)整數(shù)。u110晶面就是指平行于晶軸晶面就是指平行于晶軸c，在，在a，b軸截長(zhǎng)相等的晶面軸截長(zhǎng)相等的晶面u100晶面就是平行于晶面就是平行于b，c兩個(gè)晶軸，在兩個(gè)晶軸，在a軸截長(zhǎng)為軸截長(zhǎng)為C的晶面。的晶面。u111晶面就是在晶面就是在a,b,c三個(gè)晶軸上的截長(zhǎng)都相等的晶面。三個(gè)晶軸上的截長(zhǎng)都相等的晶面。u值得注意的是值得注意的是110晶面不單是指一個(gè)平面，在晶面不單是指一個(gè)平面，

22、在晶體晶體中所有和它中所有和它平行的平面都是。平行的平面都是。 1.3 1.3 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的能帶能帶 電子的微觀運(yùn)動(dòng)服從量子力學(xué)規(guī)律。電子的微觀運(yùn)動(dòng)服從量子力學(xué)規(guī)律。 其基本特點(diǎn)包含以下兩種運(yùn)動(dòng)形式：其基本特點(diǎn)包含以下兩種運(yùn)動(dòng)形式：電子做穩(wěn)恒的運(yùn)動(dòng)，具有完全確定的能量電子做穩(wěn)恒的運(yùn)動(dòng)，具有完全確定的能量。 這種這種穩(wěn)恒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為穩(wěn)恒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為量子態(tài)量子態(tài)。相應(yīng)的能量稱為能。相應(yīng)的能量稱為能級(jí)。在半導(dǎo)體中，由于價(jià)電子的共有化，由單個(gè)級(jí)。在半導(dǎo)體中，由于價(jià)電子的共有化，由單個(gè)原子的能級(jí)變成平直的能帶。原子的能級(jí)變成平直的能帶。在一定條件下，電子可以發(fā)生在一定條件下，電子可以發(fā)生從一個(gè)量

23、子態(tài)轉(zhuǎn)移從一個(gè)量子態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)量子態(tài)的突變，這種突變稱為到另一個(gè)量子態(tài)的突變，這種突變稱為量子躍遷量子躍遷。晶體中電子的共有化運(yùn)動(dòng)晶體中電子的共有化運(yùn)動(dòng)孤立原子孤立原子電子能級(jí)分立電子能級(jí)分立晶體晶體由大量的原子結(jié)合而成由大量的原子結(jié)合而成 各原子的電子軌道有不同程度的交疊各原子的電子軌道有不同程度的交疊 電子的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)共有化電子的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)共有化 單一的能級(jí)分裂成單一的能級(jí)分裂成N N個(gè)新的能級(jí)個(gè)新的能級(jí) N N個(gè)新能級(jí)之間的差別較小，個(gè)新能級(jí)之間的差別較小，N N很大，因此成為具有很大，因此成為具有一定寬度的能帶。一定寬度的能帶。原子原子 晶體晶體 半導(dǎo)體晶體中的電子的能量既不像自由電子半

24、導(dǎo)體晶體中的電子的能量既不像自由電子那樣連續(xù)，也不象孤立原子那樣是一個(gè)個(gè)分立那樣連續(xù)，也不象孤立原子那樣是一個(gè)個(gè)分立的能級(jí)，而是形成能帶，每一帶內(nèi)包含了大量的能級(jí)，而是形成能帶，每一帶內(nèi)包含了大量的，能量很近的能級(jí)。的，能量很近的能級(jí)。 能帶的產(chǎn)生能帶的產(chǎn)生價(jià)帶：價(jià)帶：0 K 條件下被電子填充的能量最高的能帶條件下被電子填充的能量最高的能帶導(dǎo)帶：導(dǎo)帶：0 K 條件下未被電子填充的能量最低的能帶條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差 導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶本征半導(dǎo)體的能帶

25、本征半導(dǎo)體的能帶E Ec c為導(dǎo)帶底為導(dǎo)帶底E EV V為價(jià)帶頂為價(jià)帶頂能帶結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電特性能帶結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電特性導(dǎo)帶全空，沒(méi)有能導(dǎo)帶全空，沒(méi)有能夠參與導(dǎo)電的電子夠參與導(dǎo)電的電子價(jià)帶全滿，電子無(wú)價(jià)帶全滿，電子無(wú)法在外場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)，法在外場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生凈電流產(chǎn)生凈電流半導(dǎo)體和絕緣體半導(dǎo)體和絕緣體沒(méi)有什么差別沒(méi)有什么差別導(dǎo)帶有少量電子，導(dǎo)帶有少量電子，能夠參與導(dǎo)電能夠參與導(dǎo)電價(jià)帶有部分空位，價(jià)帶有部分空位，也能夠在外場(chǎng)下運(yùn)也能夠在外場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生凈電流動(dòng)，產(chǎn)生凈電流。半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性由半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性由材料的禁帶寬度決定材料的禁帶寬度決定滿帶不導(dǎo)電！滿帶不導(dǎo)電！由于熱振由于熱振動(dòng)可能會(huì)動(dòng)可能會(huì)使電子獲使電子

26、獲得足夠的得足夠的能量，脫能量，脫離價(jià)鍵的離價(jià)鍵的束縛，由束縛，由價(jià)帶激發(fā)價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)電到導(dǎo)電0K0K時(shí)：時(shí)：一定溫度下時(shí)：一定溫度下時(shí)：不滿帶導(dǎo)電機(jī)理不滿帶導(dǎo)電機(jī)理 金屬、半導(dǎo)體及絕緣體的電導(dǎo)率存在巨大差異，這種金屬、半導(dǎo)體及絕緣體的電導(dǎo)率存在巨大差異，這種差異可用它們的能帶來(lái)作定性解釋。人們發(fā)現(xiàn)，電子在最差異可用它們的能帶來(lái)作定性解釋。人們發(fā)現(xiàn)，電子在最高能帶或最高兩能帶的占有率決定此固體的導(dǎo)電性。高能帶或最高兩能帶的占有率決定此固體的導(dǎo)電性。 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶能帶結(jié)構(gòu)的不同造成導(dǎo)電性能的不同。能帶結(jié)構(gòu)的不同造成導(dǎo)電性能的不同。金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶

27、金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶價(jià)電子與近鄰原子形價(jià)電子與近鄰原子形成強(qiáng)鍵，很難打破，成強(qiáng)鍵，很難打破，沒(méi)有電子參與導(dǎo)電。沒(méi)有電子參與導(dǎo)電。能帶圖上表現(xiàn)為大的能帶圖上表現(xiàn)為大的禁帶寬度，價(jià)帶內(nèi)能禁帶寬度，價(jià)帶內(nèi)能級(jí)被填滿，導(dǎo)帶空著，級(jí)被填滿，導(dǎo)帶空著，熱能或外場(chǎng)不能把價(jià)熱能或外場(chǎng)不能把價(jià)帶頂電子激發(fā)到導(dǎo)帶。帶頂電子激發(fā)到導(dǎo)帶。導(dǎo)帶或者被部分導(dǎo)帶或者被部分填充，或者與價(jià)填充，或者與價(jià)帶重疊。很容易帶重疊。很容易產(chǎn)生電流。產(chǎn)生電流。近鄰原子形成的鍵結(jié)合強(qiáng)近鄰原子形成的鍵結(jié)合強(qiáng)度適中，熱振動(dòng)使一些鍵度適中，熱振動(dòng)使一些鍵破裂，產(chǎn)生電子和空穴。破裂，產(chǎn)生電子和空穴。能帶圖上表現(xiàn)為禁帶寬度能帶圖上表現(xiàn)為禁帶寬

28、度較小，價(jià)帶內(nèi)的能級(jí)被填較小，價(jià)帶內(nèi)的能級(jí)被填滿，一部分電子能夠從價(jià)滿，一部分電子能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶留帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶留下空穴。外加電場(chǎng)，導(dǎo)帶下空穴。外加電場(chǎng)，導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴都將獲得電子和價(jià)帶空穴都將獲得動(dòng)能，參與導(dǎo)電動(dòng)能，參與導(dǎo)電。金屬：不含禁帶，半導(dǎo)體：含禁帶，絕緣體：禁帶較寬金屬：不含禁帶，半導(dǎo)體：含禁帶，絕緣體：禁帶較寬1.4 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子載流子：能夠自由移動(dòng)的電子和空穴；載流子：能夠自由移動(dòng)的電子和空穴；電子電子：帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束：帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子?？`后形成的自

29、由電子，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子?？昭昭ǎ簬д姷膶?dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束：帶正電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶中的電子空位?？`后形成的電子空位，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶中的電子空位。半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成子稱為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。所束縛，在空間形成排列有序的晶體

30、。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖。硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖 (a) 硅晶體的空間排列硅晶體的空間排列 (b) 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)電子空穴對(duì)電子空穴對(duì) 當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，導(dǎo)體中沒(méi)有自由時(shí)，導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以高，有的價(jià)電子可以掙脫掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為電，成為自由電子自由電子。 自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中自由電子產(chǎn)生的同

31、時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴空穴。 這一現(xiàn)象稱為這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā)，也稱也稱熱激發(fā)熱激發(fā)。半導(dǎo)體半導(dǎo)體中的兩種載流子中的兩種載流子 可見(jiàn)因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成可見(jiàn)因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，復(fù)合，如圖所示。

32、如圖所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。本征激發(fā)和復(fù)合的過(guò)程本征激發(fā)和復(fù)合的過(guò)程半導(dǎo)體中的兩種載流子半導(dǎo)體中的兩種載流子 空穴的移動(dòng)空穴的移動(dòng) 自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過(guò)空穴們的方向相反。只不過(guò)空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，空穴的導(dǎo)電能力的，因此，空穴的導(dǎo)電能力不如自由電子。不如自由電子?？昭ㄔ诰Ц裰械囊苿?dòng)空穴在晶格中的移動(dòng)半導(dǎo)體中的兩

33、種載流子半導(dǎo)體中的兩種載流子1 1、半導(dǎo)體的雜質(zhì)和缺陷、半導(dǎo)體的雜質(zhì)和缺陷雜質(zhì)：在半導(dǎo)體晶體中引入的新的原子或離子雜質(zhì)：在半導(dǎo)體晶體中引入的新的原子或離子缺陷：晶體按周期性排列的結(jié)構(gòu)受到破壞缺陷：晶體按周期性排列的結(jié)構(gòu)受到破壞雜質(zhì)和缺陷的存在會(huì)使嚴(yán)格按周期性排列的晶體原子雜質(zhì)和缺陷的存在會(huì)使嚴(yán)格按周期性排列的晶體原子所產(chǎn)生的周期勢(shì)場(chǎng)受到破壞，其結(jié)果是在半導(dǎo)體中引所產(chǎn)生的周期勢(shì)場(chǎng)受到破壞，其結(jié)果是在半導(dǎo)體中引入新的電子能級(jí)態(tài)，這將對(duì)半導(dǎo)體的特性產(chǎn)生決定性入新的電子能級(jí)態(tài)，這將對(duì)半導(dǎo)體的特性產(chǎn)生決定性的影響。的影響。SiSi能夠得到廣泛應(yīng)用的重要原因是：可對(duì)其雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)可能夠得到廣泛應(yīng)用的重要原因是

34、：可對(duì)其雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)可控操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體性能的精確控制。控操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體性能的精確控制。1.5 1.5 半導(dǎo)體的摻雜半導(dǎo)體的摻雜完整半導(dǎo)體電阻率很高，不具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，完整半導(dǎo)體電阻率很高，不具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，通常用摻雜降低其電阻率。通常用摻雜降低其電阻率。室溫下半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要由室溫下半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要由摻入半導(dǎo)體中的微量的雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體中的微量的雜質(zhì)（簡(jiǎn)稱摻雜）來(lái)決定，（簡(jiǎn)稱摻雜）來(lái)決定，這是半導(dǎo)體能夠制造各種器件的重這是半導(dǎo)體能夠制造各種器件的重要原因。要原因。2 2、半導(dǎo)體的摻雜、半導(dǎo)體的摻雜 摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向

35、半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子而本身成為帶正電的離子。這種雜質(zhì)稱為電的電子而本身成為帶正電的離子。這種雜質(zhì)稱為施主雜施主雜質(zhì)質(zhì)。如。如 在在Si中中摻入摻入V族族的的P 和和As。施主施主( (DonorDonor) )摻雜摻雜受主受主(Acceptor)摻雜摻雜 摻入到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電摻入到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴而本身成為帶負(fù)電的離子。這種雜質(zhì)稱為的空穴而本身成為帶負(fù)電的離子。這種雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。如在如在 Si中中摻入摻入III族族的的硼硼(B)元素。元素。摻雜：摻雜：q為控制半導(dǎo)體的性質(zhì)，人為摻入雜質(zhì)的工藝過(guò)程為控制半導(dǎo)體的性質(zhì)，人為摻

36、入雜質(zhì)的工藝過(guò)程q摻雜雜質(zhì)一般為替位式雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)一般為替位式雜質(zhì)q擴(kuò)散和注入是典型的摻雜工藝擴(kuò)散和注入是典型的摻雜工藝q雜質(zhì)濃度是摻雜的重要因子：?jiǎn)挝惑w積中雜質(zhì)原子數(shù)雜質(zhì)濃度是摻雜的重要因子：?jiǎn)挝惑w積中雜質(zhì)原子數(shù)替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)：取代本體原子位置，處于晶格點(diǎn)上；這類雜：取代本體原子位置，處于晶格點(diǎn)上；這類雜質(zhì)原子價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)接近本體原子，如質(zhì)原子價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)接近本體原子，如、族在族在SiSi、Ge(Ge(族族) )中的情況；中的情況；、族在族在化合物中。化合物中。A：間隙雜質(zhì)間隙雜質(zhì)本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體p 當(dāng)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)遠(yuǎn)小于由熱

37、產(chǎn)生的電子當(dāng)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)遠(yuǎn)小于由熱產(chǎn)生的電子空穴時(shí)，此種半導(dǎo)體稱為空穴時(shí)，此種半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。p 制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到到99.9999999%，常稱為，常稱為“九個(gè)九個(gè)9”。它在。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。3 3、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：沒(méi)有摻入雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：沒(méi)有摻入雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)：禁帶中無(wú)載流子可占據(jù)本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)：禁帶中無(wú)載流子可占據(jù)的能級(jí)狀態(tài)的能級(jí)狀態(tài)本征載流子濃度：電子和空穴濃度相同本征載流子濃度：電子和空穴濃度相同

38、n=pn=p3 3、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體(1) (1) N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(2) (2) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)后的的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。3 3、本征半導(dǎo)體與、本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 (1）N型半導(dǎo)體 在在N型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原它主要由雜質(zhì)原子提

39、供子提供；空穴是少數(shù)載流子空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因自由電子自由電子脫離而帶正電脫離而帶正電荷成為正離子，因此，五價(jià)雜質(zhì)原子也被稱為荷成為正離子，因此，五價(jià)雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)。 在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成質(zhì)元素，例如磷，可形成 N型半型半導(dǎo)體導(dǎo)體, ,也稱也稱電子型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體。 因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因

40、無(wú)共價(jià)鍵束縛而的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。很容易形成自由電子。N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖(2) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，也稱為也稱為空穴型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜質(zhì)原子與硅原子。因三價(jià)雜質(zhì)原子與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。穴。 P型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中空穴是多空穴是多數(shù)載流子數(shù)載流子，主要由摻雜形，主要由摻雜形成；成；電子是少數(shù)載流子電子是少數(shù)載流子，由，由熱激發(fā)形成

41、。熱激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為因而也稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖施主施主：摻入到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)：摻入到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如SiSi中摻入五價(jià)的中摻入五價(jià)的P P 和和As.As. As As：V V族，其中的四個(gè)價(jià)電子與族，其中的四個(gè)價(jià)電子與SiSi形成共價(jià)鍵，但多出一個(gè)形成共價(jià)鍵，但多出一個(gè)電子只需要很低的能量便能該電子電離進(jìn)入導(dǎo)帶，形成導(dǎo)電子只需要很低

42、的能量便能該電子電離進(jìn)入導(dǎo)帶，形成導(dǎo)電電子和帶正電的電離施主。電電子和帶正電的電離施主。受主受主：摻入到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)：摻入到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如SiSi中摻入三價(jià)的中摻入三價(jià)的B.B. B B：IIIIII族，只有三個(gè)價(jià)電子，與族，只有三個(gè)價(jià)電子，與SiSi形成共價(jià)鍵，并出現(xiàn)一形成共價(jià)鍵，并出現(xiàn)一個(gè)空位，只需要很低的能量便能使價(jià)帶中的電子填補(bǔ)空位，個(gè)空位，只需要很低的能量便能使價(jià)帶中的電子填補(bǔ)空位，并形成價(jià)帶空穴和帶負(fù)電的電離受主。并形成價(jià)帶空穴和帶負(fù)電的電離受主。施主和施主能級(jí)施主

43、和施主能級(jí) 由于施主雜質(zhì)的摻入而在半導(dǎo)體帶隙中新引入由于施主雜質(zhì)的摻入而在半導(dǎo)體帶隙中新引入的電子能級(jí)的電子能級(jí)AsAs多余的電子由多余的電子由于受正離子的吸于受正離子的吸引，能量較導(dǎo)帶引，能量較導(dǎo)帶電子能量要低，電子能量要低，同時(shí)，吸引作用同時(shí)，吸引作用比共價(jià)鍵結(jié)合要比共價(jià)鍵結(jié)合要弱，因此能量較弱，因此能量較價(jià)帶電子要高，價(jià)帶電子要高，施主能級(jí)位于帶施主能級(jí)位于帶隙中，離導(dǎo)帶很隙中，離導(dǎo)帶很近：近：0.03eV0.03eV。電離：施主向?qū)п尫烹娮拥倪^(guò)程。未電離前，施主電離：施主向?qū)п尫烹娮拥倪^(guò)程。未電離前，施主能級(jí)是被電子占據(jù)的能級(jí)是被電子占據(jù)的, ,電離后導(dǎo)帶有電子，施主本身帶電離后導(dǎo)

44、帶有電子，施主本身帶正電。正電。施主的電離和電離能施主的電離和電離能電離所需要的最小能量稱為電離所需要的最小能量稱為電離能，通常為導(dǎo)帶底與施電離能，通常為導(dǎo)帶底與施主能級(jí)之差。主能級(jí)之差。受主和受主能級(jí)受主和受主能級(jí) 由于受主雜質(zhì)摻入而在半導(dǎo)體帶隙中新引入由于受主雜質(zhì)摻入而在半導(dǎo)體帶隙中新引入的電子能級(jí)，該能級(jí)未占據(jù)電子，是空的，容易的電子能級(jí)，該能級(jí)未占據(jù)電子，是空的，容易從價(jià)帶獲得電子。從價(jià)帶獲得電子。B B原子多出的原子多出的電子空位很容電子空位很容易接受價(jià)帶電易接受價(jià)帶電子，形成共價(jià)子，形成共價(jià)鍵，因此較導(dǎo)鍵，因此較導(dǎo)帶更接近價(jià)帶：帶更接近價(jià)帶：0.05eV0.05eV。受主電離和電離

45、能受主電離和電離能受主能級(jí)從價(jià)帶接受電子的過(guò)程稱為受主的電離，受主能級(jí)從價(jià)帶接受電子的過(guò)程稱為受主的電離，未電離前，未被電子占據(jù)。未電離前，未被電子占據(jù)。電離所需要的最小能量即為受主電電離所需要的最小能量即為受主電離能，為價(jià)帶頂與受主能級(jí)之差。離能，為價(jià)帶頂與受主能級(jí)之差。施主雜質(zhì)與受主雜質(zhì)比較施主雜質(zhì)與受主雜質(zhì)比較1 1）雜質(zhì)的帶電性）雜質(zhì)的帶電性 未電離：均為電中性未電離：均為電中性 電離后：施主失去電子帶正電，受主得到電子電離后：施主失去電子帶正電，受主得到電子帶負(fù)電帶負(fù)電2 2）對(duì)載流子數(shù)的影響）對(duì)載流子數(shù)的影響 摻入施主后：電子數(shù)大于空穴數(shù)摻入施主后：電子數(shù)大于空穴數(shù) 摻入受主后：電

46、子數(shù)小于空穴數(shù)摻入受主后：電子數(shù)小于空穴數(shù)雜質(zhì)的補(bǔ)償原理雜質(zhì)的補(bǔ)償原理-pn-pn結(jié)實(shí)現(xiàn)原理結(jié)實(shí)現(xiàn)原理（a）NDNA當(dāng)同一塊半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，這當(dāng)同一塊半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，這種兩種不同類型的雜質(zhì)有相互抵償?shù)淖饔?，稱為種兩種不同類型的雜質(zhì)有相互抵償?shù)淖饔?，稱為雜質(zhì)補(bǔ)雜質(zhì)補(bǔ)償作用償作用。補(bǔ)償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度為有效雜質(zhì)濃度，。補(bǔ)償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度為有效雜質(zhì)濃度，只有有效的雜質(zhì)濃度才能有效地提供載流子濃度。只有有效的雜質(zhì)濃度才能有效地提供載流子濃度。（b）ND 0kT0k，若若E= EE= EF F ， 則則f(E) =1/2 f(E) =1/2 ；若

47、；若E EE1/2 f(E) 1/2 ；若；若E E E EF F ， 則則f(E) 1/2f(E) 空空穴遷移率穴遷移率 GaAs Ge Si-平均自由時(shí)間，即相鄰兩次碰撞之間的平均時(shí)間。平均自由時(shí)間，即相鄰兩次碰撞之間的平均時(shí)間。其影響因素與散射模式相關(guān)其影響因素與散射模式相關(guān)電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射晶格散射晶格散射當(dāng)半導(dǎo)體中存在載流子濃度梯度時(shí)，將發(fā)生載流子的當(dāng)半導(dǎo)體中存在載流子濃度梯度時(shí)，將發(fā)生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，滿足擴(kuò)散方程，并形成擴(kuò)散電流。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，滿足擴(kuò)散方程，并形成擴(kuò)散電流。在一維分布情形下，載流子的擴(kuò)散密度為：在一維分布情形下，載流子的擴(kuò)散密度為： 擴(kuò)散流密度擴(kuò)散流密度 負(fù)號(hào)反

48、映擴(kuò)散流總是從高濃度向低濃度流動(dòng)。負(fù)號(hào)反映擴(kuò)散流總是從高濃度向低濃度流動(dòng)。電子擴(kuò)散電流：電子擴(kuò)散電流： 空穴擴(kuò)散電流：空穴擴(kuò)散電流：載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)dxdNDdxdnqDjndiffn,dxdpqDjpdiffp,愛(ài)因斯坦關(guān)系愛(ài)因斯坦關(guān)系在平衡條件下，利用電流方程，可導(dǎo)出在平衡條件下，利用電流方程，可導(dǎo)出 愛(ài)因斯坦關(guān)系愛(ài)因斯坦關(guān)系這是半導(dǎo)體中重要的基本關(guān)系式之一，反映了漂這是半導(dǎo)體中重要的基本關(guān)系式之一，反映了漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在聯(lián)系移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在聯(lián)系qkTD 當(dāng)同時(shí)存在電場(chǎng)和載流子濃度梯度時(shí)，載流子邊當(dāng)同時(shí)存在電場(chǎng)和載流子濃度梯度時(shí)，載流子邊漂移邊擴(kuò)散。漂移邊擴(kuò)散。如果在

49、半導(dǎo)體一面穩(wěn)定地注入非平衡載流子，它如果在半導(dǎo)體一面穩(wěn)定地注入非平衡載流子，它們將一邊擴(kuò)散一邊復(fù)合，形成一個(gè)有高濃度到低們將一邊擴(kuò)散一邊復(fù)合，形成一個(gè)有高濃度到低濃度的分布濃度的分布N N（x x）：）：非平衡載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度非平衡載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度L L：非平衡載流子在被復(fù)：非平衡載流子在被復(fù)合前擴(kuò)散的平均距離。合前擴(kuò)散的平均距離。LxeNxN/0)(復(fù)雜體系復(fù)雜體系半導(dǎo)體中載流子遵守的半導(dǎo)體中載流子遵守的連續(xù)性方程連續(xù)性方程連續(xù)性方程：連續(xù)性方程： ( (非平衡載流子在未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前，載流子非平衡載流子在未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前，載流子隨時(shí)間的變化率必須等于其產(chǎn)生率加上積累率再減去復(fù)合率隨時(shí)間的變

50、化率必須等于其產(chǎn)生率加上積累率再減去復(fù)合率) )（產(chǎn)生、復(fù)合、漂移、擴(kuò)散）共同存在（產(chǎn)生、復(fù)合、漂移、擴(kuò)散）共同存在Jq1ngtnnJq1pgtpp對(duì)空穴對(duì)空穴對(duì)電子對(duì)電子輻射躍遷和光吸收輻射躍遷和光吸收 在固體中，光子和電子之間在固體中，光子和電子之間的相互作用有三種基本過(guò)程：的相互作用有三種基本過(guò)程：吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射。吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射。兩個(gè)能級(jí)之間的三種基本躍遷過(guò)程兩個(gè)能級(jí)之間的三種基本躍遷過(guò)程(a) 吸收吸收 (b) 自發(fā)發(fā)射自發(fā)發(fā)射 (c) 受激發(fā)射受激發(fā)射1.7 1.7 半導(dǎo)體中的光電特性半導(dǎo)體中的光電特性電光效應(yīng)和電光效應(yīng)和光電效應(yīng)光電效應(yīng)pnpn結(jié)注入式場(chǎng)致發(fā)光原

51、理結(jié)注入式場(chǎng)致發(fā)光原理半導(dǎo)體發(fā)光包括半導(dǎo)體發(fā)光包括激發(fā)激發(fā)過(guò)程和過(guò)程和復(fù)合復(fù)合過(guò)程。這兩個(gè)過(guò)過(guò)程。這兩個(gè)過(guò)程銜接，是發(fā)光必不可少的兩個(gè)環(huán)節(jié)。程銜接，是發(fā)光必不可少的兩個(gè)環(huán)節(jié)。在在pnpn結(jié)上施加正偏壓，產(chǎn)生注入效應(yīng)，使結(jié)區(qū)及結(jié)上施加正偏壓，產(chǎn)生注入效應(yīng)，使結(jié)區(qū)及其左右兩邊各一個(gè)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)的少子濃其左右兩邊各一個(gè)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)的少子濃度超過(guò)其熱平衡少子濃度。超過(guò)部分就是由電能度超過(guò)其熱平衡少子濃度。超過(guò)部分就是由電能激發(fā)產(chǎn)生的處于不穩(wěn)定高能態(tài)的非平衡載流子，激發(fā)產(chǎn)生的處于不穩(wěn)定高能態(tài)的非平衡載流子，它們必須通過(guò)第二過(guò)程：它們必須通過(guò)第二過(guò)程：復(fù)合復(fù)合，達(dá)到恒定正向注，達(dá)到恒定正向注入

52、下新穩(wěn)態(tài)。入下新穩(wěn)態(tài)。電光效應(yīng)電光效應(yīng)復(fù)合分為復(fù)合分為輻射復(fù)合輻射復(fù)合和和非輻射復(fù)合非輻射復(fù)合。輻射復(fù)合過(guò)程。輻射復(fù)合過(guò)程中，自由電子和空穴具有的能量將變成光而自然中，自由電子和空穴具有的能量將變成光而自然放出。非輻射復(fù)合過(guò)程中，釋放的能量將轉(zhuǎn)變?yōu)榉懦觥７禽椛鋸?fù)合過(guò)程中，釋放的能量將轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽鐭崮?。因此，為提高發(fā)光效率其它形式的能，如熱能。因此，為提高發(fā)光效率應(yīng)盡量避免非輻射復(fù)合。應(yīng)盡量避免非輻射復(fù)合。輻射復(fù)合的幾條輻射復(fù)合的幾條途徑途徑是：是：帶帶- -帶復(fù)合帶復(fù)合、淺施主淺施主- -價(jià)價(jià)帶或?qū)Щ驅(qū)? -淺受主間復(fù)合淺受主間復(fù)合、施施- -受主之間復(fù)合受主之間復(fù)合、通通過(guò)深

53、能級(jí)復(fù)合過(guò)深能級(jí)復(fù)合等。等。發(fā)光器件發(fā)光器件q發(fā)光二極管：靠注入載流子自發(fā)復(fù)合而發(fā)光二極管：靠注入載流子自發(fā)復(fù)合而引起的自發(fā)輻射；引起的自發(fā)輻射；非相干光。非相干光。q半導(dǎo)體激光器則是在外界誘發(fā)的作用下半導(dǎo)體激光器則是在外界誘發(fā)的作用下促使注入載流子復(fù)合而引起的受激輻射促使注入載流子復(fù)合而引起的受激輻射；相干光，具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮相干光，具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高等特點(diǎn)。度高等特點(diǎn)。光電效應(yīng)光電效應(yīng)當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，光能量作用于物體而釋放當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，光能量作用于物體而釋放出電子的現(xiàn)象稱為出電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為。光電效應(yīng)分為內(nèi)、外內(nèi)、外光電效應(yīng)光

54、電效應(yīng)兩大類。兩大類。1 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) 在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)?；谶@類效應(yīng)的器件有發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。基于這類效應(yīng)的器件有光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管。能否產(chǎn)生光電效應(yīng)由愛(ài)因斯坦。能否產(chǎn)生光電效應(yīng)由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程判別：光電效應(yīng)方程判別：從上式可知：當(dāng)光子能量大于逸出功時(shí)，才產(chǎn)生光電效應(yīng)；從上式可知：當(dāng)光子能量大于逸出功時(shí)，才產(chǎn)生光電效應(yīng)；當(dāng)光子能量恰好等于逸出功時(shí)的當(dāng)光子能量恰好等于逸出功時(shí)的 0 0稱為稱為紅限頻率紅限頻率( (對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)波限波限) )。小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電。小于紅限頻率的入射光，